0    引言

    恒壓／恒流（CV／CC）式開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源是最常用的一種特種電源,。2002年9月,，PI公司率先推出了LinkSwitch" title="LinkSwitch">LinkSwitch系列" title="系列">系列（包含LNK500、LNK501）高效率恒壓／恒流式" title="流式">流式三端單片" title="單片">單片開關(guān)電源芯片,，它是世界上第一個(gè)專門為取代4W以下小功率線性穩(wěn)壓電源而研制的高集成度,、低成本,、高壓功率轉(zhuǎn)換芯片。2004年3月,，該公司又研制出LNK520型恒壓或恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源,。由LinkSwitch構(gòu)成的恒壓／恒流式開關(guān)電源，價(jià)格堪與線性電源相媲美,。它比傳統(tǒng)的線性電源體積小,，重量輕，特別適合于低成本電池充電器,。這種開關(guān)電源可在恒壓,、恒流兩種工作模式下自動(dòng)轉(zhuǎn)換，比用TOPSwitch－Ⅱ構(gòu)成的恒壓／恒流式特種開關(guān)電源大約可節(jié)省20個(gè)元器件,。當(dāng)額定輸出功率為3W時(shí),，LinkSwitch允許采用EE13型磁芯，以進(jìn)一步減小開關(guān)電源的體積,。

    LinkSwitch系列單片開關(guān)電源可替代線性電源,，廣泛用于各種個(gè)人電子設(shè)備（手機(jī)、無繩電話,、掌上電腦、數(shù)碼相機(jī),、MP3播放器,、電動(dòng)剃須刀等）的電池充電器或電源適配器，也可以應(yīng)用" title="應(yīng)用">應(yīng)用在電視機(jī)等家用電器的待機(jī)電源及各種輔助電源中,。

1    LinkSwitch系列單片開關(guān)電源的性能特點(diǎn)

    1）LinkSwitch系列產(chǎn)品采用PI公司的EcoSmart^R技術(shù),，將700V功率MOSFET、PWM控制器,、高壓啟動(dòng),、電流限制和過熱保護(hù)等電路集成在一個(gè)芯片中。該芯片只有3個(gè)引腳,，對LNK500,、LNK501而言，僅須配14個(gè)外圍元器件,，即可構(gòu)成具有恒壓／恒流（CV/CC）輸出特性的特種開關(guān)電源,。用做電源適配器時(shí)，LinkSwitch工作在恒壓區(qū),，可為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓,，此時(shí)恒流區(qū)用來提供過載保護(hù)及短路時(shí)的自動(dòng)重啟動(dòng)保護(hù)。做電池充電器時(shí),，LinkSwitch工作在恒流區(qū),，充電完畢自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓區(qū),；若在充電過程中因負(fù)載短路而使輸出電壓降至2V以下，則進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段,。與線性穩(wěn)壓電源相比,，其功耗可降低70％。

    2）LNK500,、LNK501在寬范圍輸入（交流85～265V）時(shí)的最大輸出功率為3W,，交流230V固定輸入時(shí)的最大輸出功率為4W。通常將LinkSwitch設(shè)計(jì)在不連續(xù)模式下工作,。利用光耦反饋技術(shù)可提高恒壓輸出的精度和穩(wěn)定度,，而利用外部穩(wěn)壓管進(jìn)行二次穩(wěn)壓能改善恒流特性。

    3）該器件采用新穎的初級(jí)恒壓,、恒流控制方案,，包括初級(jí)鉗位、反饋,、內(nèi)部供電和回路補(bǔ)償?shù)入娐?，極大地簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。LNK500／501不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路,，完全由初級(jí)感應(yīng)電壓UOR來控制恒壓／恒流輸出,。

    4）具有完善的保護(hù)功能，包括過熱保護(hù),，過電流保護(hù),，輸出短路情況下的過載保護(hù)，開路故障保護(hù)和軟啟動(dòng)功能,。

    5）功率MOSFET的漏極擊穿電壓為700V,，極限電流固定為254mA，漏－源通態(tài)電阻為28Ω（典型值）,，最大占空比為77％,。自動(dòng)重啟動(dòng)頻率為300Hz。過熱保護(hù)溫度為＋135℃,，當(dāng)溫度降至＋70℃時(shí)芯片才恢復(fù)正常工作,。

2    LinkSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用

    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路如圖1所示。該電池充電器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：恒壓區(qū)的額定輸出電壓U_o=＋5.5V,，恒流區(qū)的輸出電流I_OM=500mA,，最大輸出功率P_OM=2.75W；當(dāng)交流輸入電壓u=85～265V時(shí),，電源效率η≥72％,；當(dāng)交流輸入電壓u=230V或115V時(shí)，空載功耗分別為260mW或200mW,。

圖1    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的電路

    RF（Fusible Resistor）采用10Ω,、1W的熔斷電阻器,，當(dāng)輸入端發(fā)生短路故障時(shí)能起到過流保護(hù)作用。BR為1A,、600V的整流橋,，亦可用4只1N4005型硅整流管來代替。C₁,、L和C₂構(gòu)成π型濾波器,。LNK501的開關(guān)頻率為42kHz，允許使用簡單的EMI濾波器濾除電磁干擾,，而且一般不需要初級(jí)返回端與次級(jí)返回端之間并聯(lián)一只安全電容（亦稱Y電容）,。

    由1A、600V的硅二極管VD₁（1N4937）和0.1μF電容器C₄組成鉗位保護(hù)電路,，用來吸收由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓,。初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓值（U_OR）亦稱次級(jí)反射電壓，它與輸出電壓U_O之間存在下述關(guān)系式：U_OR=n（U_O＋U_F1）（式中n為初級(jí)與次級(jí)的匝數(shù)比,，U_F1為次級(jí)整流管的壓降）,。這表明U_OR能反映輸出電壓的高低。因此,，利用取樣電容C₄所獲得的反饋電壓同樣能反映出UO的變化情況,。電阻R₁的作用就是將C₄上的反饋電壓轉(zhuǎn)換成反饋電流（即控制端電流I_C），進(jìn)而去調(diào)節(jié)LNK501的輸出占空比,，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的,。利用R2可降低開關(guān)噪聲。根據(jù)實(shí)際需要還可在初,、次級(jí)返回端之間并聯(lián)一只1000～2200pF、耐壓值為1.5kV的安全電容C₆,，進(jìn)一步抑制電磁干擾,，具體接線方法如圖1中虛線所示。

    在恒壓區(qū)域內(nèi),，輸出電壓受占空比控制,。當(dāng)I_C>2mA時(shí)，進(jìn)入恒壓區(qū),，輸出電壓及占空比同時(shí)降低,；在I_C=2.3mA時(shí)，進(jìn)行過電流保護(hù),，使占空比降至30％,。若U_O降到2V以下，則C₃放電,，使LNK501進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段,，迅速將輸出電流限制在50mA以下,。若實(shí)際輸出功率超過P_OM，則U_O↓→U_OR↓→I_C↓,，從而限制了漏極電流ID的進(jìn)一步增大,。若因輸出端發(fā)生短路故障而導(dǎo)致輸出功率繼續(xù)增大，則I_C下降到0.9mA,，迫使控制端電容C_c放電,，LNK501就進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)階段。上述自動(dòng)保護(hù)功能提高了電池充電器在工作時(shí)的安全性,。在空載或輕載的情況下,，芯片的功耗隨開關(guān)頻率的降低而降低。

    該恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性如圖2所示,。圖2中的實(shí)線代表極限值,。次級(jí)整流管VD₂采用11DQ06型1A／60V肖特基二極管，亦可用MBR160代替,。

圖2    由LNK501構(gòu)成恒壓／恒流式電池充電器的輸出特性

3    電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1    最大輸出功率

    LinkSwitch在交流85～265V寬范圍輸入,、交流230V固定輸入時(shí)的最大連續(xù)輸出功率（P_OM）分別為3W、4W,。為達(dá)到最大連續(xù)輸出功率,，設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

    1）設(shè)計(jì)的直流輸入電壓最小值U_Imin≥90V,。當(dāng)交流輸入電壓u=85～265V時(shí),，輸入濾波電容的容量可按3μF/W的比例系數(shù)來選取。對于交流230V或115V固定輸入電壓,，可按1μF/W的比例系數(shù)來選取,。

    2）LinkSwitch是專門設(shè)計(jì)在不連續(xù)模式下工作的，此時(shí)初級(jí)繞組感應(yīng)電壓U_OR的范圍是40～60V,。若設(shè)計(jì)成連續(xù)模式,，會(huì)導(dǎo)致環(huán)路工作不穩(wěn)定。

    3）次級(jí)整流管應(yīng)采用肖特基二極管,。圖1中的VD₂就采用1A/60V的肖特基二極管,。

    4）預(yù)先可假定電源效率η=70％。

    5）源極引腳必須與印制板上的覆銅箔接觸良好,，以保證將熱量及時(shí)散發(fā)出去,，使芯片溫度不超過＋100℃。

    除了受溫度條件,、通風(fēng)狀況,、封裝形式、電源結(jié)構(gòu)等因素的影響之外，在給定條件下LinkSwitch的最大輸出功率還與高頻變壓器磁芯的大小,、導(dǎo)磁率,、初級(jí)電感容量、最小輸入電壓,、輸入濾波電容的容量,、輸出電壓、整流管壓降等參數(shù)有關(guān),，這會(huì)造成實(shí)際的P_OM值與設(shè)計(jì)值不相等,。

3.2    高頻變壓器

    在非連續(xù)模式下，當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時(shí),，已存儲(chǔ)在高頻變壓器中的能量就轉(zhuǎn)換為次級(jí)輸出,。若不考慮次級(jí)損耗的情況下，則高頻變壓器的最大轉(zhuǎn)換功率為

    P_M=0.5L_PI²_LIMITf

式中：L_P為初級(jí)電感量,；

      I²_LIMITf為系數(shù),，它代表初級(jí)極限電流的平方與開關(guān)頻率的乘積，其典型值為I²_LIMITf=(254mA)2×42kHz=2710A²Hz,。

    P_M所對應(yīng)的控制端電流用I_DCT來表示,，I_DCT可用來設(shè)定LinkSwitch電源的最大輸出功率點(diǎn)P_OM。

    當(dāng)開關(guān)電源從恒流區(qū)開始工作時(shí),，初級(jí)電感量（L_P）對峰值輸出功率（P_OPK）起決定作用,，該參數(shù)應(yīng)加以控制。若估計(jì)的P_OPK值允許有±20％的變化量,，則L_P值允許偏差±10％,，磁芯的氣隙δ≥0.08mm。

    若采用EE13型磁芯,，取δ=0.08mm,，L_P允許有±10％的偏差，初級(jí)感應(yīng)電壓U_OR=40～60V,，則LinkSwitch的最大輸出功率可達(dá)2.7W,。選擇尺寸較大的磁芯能提升感應(yīng)電壓U_OR，進(jìn)而提高輸出功率,。例如，選擇EE16型磁芯時(shí),，最大輸出功率為3W,。如不考慮空載時(shí)的功率損耗，還可采用EE19型磁芯,，在交流230V輸入時(shí),，U_OR>70V，將輸出功率提高到5W。UOR還影響恒流輸出特性曲線的線性度,。在完成設(shè)計(jì)前應(yīng)檢查恒流輸出特性,。

3.3    影響輸出特性的因素

    LinkSwitch輸出特性的余量由LinkSwitch的余量以及外部電路來決定。采用如圖1所示電路時(shí),，最大輸出功率為2.75W,，輸出電壓的變化量為±10％，輸出電流的變化量為±20％,。影響輸出特性的因素主要有初級(jí)漏感,、次級(jí)整流管的壓降和輸出引線上的電阻。例如,，當(dāng)初級(jí)漏感達(dá)到50μH時(shí)將導(dǎo)致空載時(shí)的輸出電壓大約上升30％,。如果增加光耦反饋電路并利用外部穩(wěn)壓管進(jìn)行二次穩(wěn)壓，那么整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的輸出電壓變化量可降低到±5％,。

3.4    關(guān)鍵元器件的選擇

    下面以圖1為例,，介紹選擇外圍關(guān)鍵元器件的原則。

    1）鉗位二極管VD₁應(yīng)選擇耐壓為600V甚至更高的快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管,，不能用普通的低速二極管,。

    2）鉗位電容C4可采用0.1μF、100V的金屬膜或塑料薄膜電容,，容量誤差在±5％,、±10％或±20％均可，但不推薦使用陶瓷電容,，因?yàn)樵摲N電容受溫度和電壓變化的影響較大,、容易引起輸出電壓的波動(dòng)。

    3）控制端電容C₃可為LinkSwitch的上電過程或自動(dòng)重啟動(dòng)階段提供控制電壓,。設(shè)計(jì)電池充電器時(shí),，C₃應(yīng)選擇0.22μF、10V的電容器,，以保證有足夠的時(shí)間去啟動(dòng)電路,。

    4）選擇反饋電阻R₁的原則是在最大輸出功率時(shí)能使2.3mA的反饋電流流入控制端。R₁的準(zhǔn)確值還要看所設(shè)計(jì)的U_OR值,。適當(dāng)增大R₁值可改變電池充電器的輸出特性,，如圖3所示。

圖3    增大R₁值對輸出特性的影響

    圖3中的虛線框代表典型的輸出特性曲線,，實(shí)線框表示增大R₁值以后的實(shí)際工作區(qū),，虛線箭頭分別表示恒壓區(qū)及恒流區(qū)的變化方向。由圖3可見,，增大R₁值能提高平均輸出電壓U_O（恒壓曲線向上移動(dòng)）,，減小平均輸出電流I_O（恒流曲線向左移動(dòng)）,。其變化特征是R_FB↑→U_O↑→I_O↓。

    5）如需要增加安全電容濾除次級(jí)上的瞬態(tài)干擾,，應(yīng)將安全電容并聯(lián)在初級(jí)電路返回端與次級(jí)電路返回端之間,。安全電容的容量很小，但耐壓值必須達(dá)到1.5kV才符合IEC標(biāo)準(zhǔn),。

3.5    示波器的接線方式

    在用示波器觀察LinkSwitch的輸出波形時(shí),，如果將探針接源極S，地線接初級(jí)的返回端,，那么探頭分布電容上的電荷可能造成誤觸發(fā),，使LinkSwitch達(dá)到極限電流。正確的方法是按圖4所示,，將探頭的地線接LinkSwitch的漏極D,，以直流作為參考點(diǎn)。由于漏極上有直流高壓,，因此,，在電源的進(jìn)線端必須接隔離變壓器T1。

圖4    示波器的正確接線方式

4    結(jié)語

    LinkSwitch系列恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源采用初級(jí)恒壓,、恒流控制方案,，它不需要輔助繞組及外部恒壓／恒流控制電路，極大地簡化了外圍電路的設(shè)計(jì),，為實(shí)現(xiàn)小功率CV／CC式開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件,。